蒋华平

摘 要：数控机床是大型设备加工的主要工具，如果其有操作上的误差，大型设备的使用会受到影响，所以为保证数控机床生产的精度，解决加工零件质量较低的问题，可使用三维空间误差建模技术，把模型产生的误差映射到生产中，实现误差的补偿。

关键词：数控机床 三维空间误差建模 误差补偿

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（c）-0089-02

数控机床是较为常见的设备，可生产复杂的零件，在多个领域广泛使用，但在某些领域使用时，可能会因为有误差，导致加工的零件与实际需求不符。由此，可使用误差补偿技术，以及三维空间的误差建模，后者与前者相比，使用的成本较少，为精度的控制提供依据。

1 数控机床三维空间的误差建模

1.1 移动副的误差与多体系理论

数控机床是以床身为基础，在上面把不同部件联系在一起，构成零件的加工设备，通常来说，机床上零件的运动只有一个自由度，但因为具体操作的差异，以及实际组合时小的误差，会增加额外的5个自由度，并出现了多个误差元素。所以，本文是以机床的移动副为模型，在上面建立了坐标系，统计了它平动与转动误差，而这只是一个移动副，各部分不同的移动副会形成多个误差。由此，技术人员必须合理建模，才可得到最佳的补偿值。其使用的理论是多体系理论。

多体系理论是建模使用的理论，是机械系统，由数个刚体、柔体组合而成，同时，机床自身也是由多个零件组成，与多体系理论的构成类似，所以，可用该理论研究。用多体系理论分析的前提是，找到体与体之间的关系，根据关系画出拓扑图、列出阵列，其中，低序阵列可展示不同体之间的联系。另机床可细分成两个分支，一是工件，二是刀具。技术人员简单分析后，会选择多个个体，对每个个体进行了编号，得到每个个体的底序体算子，共选择了8个个体，设置0～4四个序号，当序号为0时，每个样本的底序体算子是样本的序号，随后0的位置逐次后移，当序号到4时，所有样本的底序体算子均为0。

1.2 误差建模

根据移动副的误差与多体系理论建立模型，试分析矩阵的结构，使用多个误差元素，根据机床的形成过程，得到综合误差表示的结果，算式中，其会使用多个点，这些点对应不同的信息，表达式是：QMQN=P+Pe++S+Se，其中，QN是一侧坐标AM的原点，与另一侧坐标系AN对应的点是QM，P和Pe是对QM对应的误差矢量与表示，S与Se是QN对应的误差矢量与表示，如果忽略两个误差矢量，可把表达式变成[AMN]=[AMN]p[AMN]s。用这个表达式可以描绘机床生产形成的误差，处理位置的偏移量。

1.3 建立分析软件

建立某一模型后，技术人员为优化误差的分析效果，也可进一步开发软件，设计误差分析软件。其过程如下：

（1）运用MATLAB语言。该语言有较强的活力，从矩阵运算中衍生而来，用它设计软件，可通过灵活的运算得到结果，灵活设计流程，高质量地完成界面设计，让软件与其他软件衔接[1]。而用该语言设计后，使用者也可以根据自己的需求适当拓展，增加新内容。

（2）设计软件与功能。用语言制作软件的步骤有5点，依次是初步设计、分析功能性、调整页面、填写程序，最后进行调试，由此，设置的软模块包括数据导入、空间分析、误差处理、分析补偿结果，调整机床控制系统等，这些模块的使用，可优化对整体情况的分析，对误差情况有基本了解，优化对数控机床的调控。所以，总结出软件的功能是，保证测量方法的可行性，用系统分析时，其会随机产生多个误差，系统用仿真数据逐一分析后，可把多个误差分离，根据每个误差的多少，提供补偿，使最后的结果可视化；实现对实时测量数据的分析，系统运行时首先要做的是把数据导入，完成分析后，把最后的结果用直观的方式展示。用这一方式处理后，可在模型分析的基础上优化补偿的效果，提升数控机床的性能，验证了软件的可行性。

2 误差补偿

具体实践中，可使用的误差补偿方式有多类，包括实时和非实时的补偿、硬件和软件补偿、静态动态补偿，通过对这三点的分析，可了解三维空间误差补偿，设计出具体的原理。

2.1 补偿方法的分类与三维空间的误差补偿

补偿方法分类如下：首先，实时与非实时的补偿优势是，消除系统误差，并消除系统产生的部分随机误差，同时，优化误差检测的方法与效果。这两种方法中，最常使用的是后一种方法，用于补偿静态误差。其次，硬件与软件补偿，这一方式是用改变刀具的使用，以及改变加工工具的具体位置实现，这两种方法中，软件补偿是其最常使用的方法，让刀具和工具互相配合，形成相对位置，硬件補偿是调整刀具、工件具体摆放的位置，控制零件加工的误差，而把这两种方式比较后，可发现后者与前者相比，操作较为笨拙，得到效果较差，所以，选择的方式以软件处理为主；最后，静态和动态补偿，静态补偿是机床实际加工时，设定的补偿量不变，用设定值补偿，它可补偿的误差是系统误差，随机产生的误差依然存在，动态补偿是在机床具体操作中，根据具体的加工情况，选择适合的补偿量，完成反馈补偿[2]。

三维空间的误差补偿：它的误差是由多个小误差组成，而所有误差中部分可用上述三种误差补偿方法处理，比如振动误差和测试误差等。所有组成的误差中，几何误差、热误差是需着重补偿的误差，它们也会使用多种误差补偿方法。机床几何误差是零件加工、安装时，因为尺寸、位置等的错误，使某些位置零件的加工出现偏差，影响最后加工的精度，出现这一误差的原因是系统程序；对这类误差的处理，是确定某个位置稳定的误差，分析误差的大小，随后进行补偿，具体使用的方法是软件静态补偿法。热误差出现的原因是，随着机床生产时间的延长，机器的温度有不同程度的升高，在整个空间内形成多个温度场，零件受这些温度影响，会出现不同的变形，影响零件的精度，所以对这个误差的处理，是建立预测模型，具体方法是非实时软件动态补偿。

2.2 补偿的原理流程

误差补偿必须使用的步骤是检测、建立误差模块，最后补偿，所以它的原理如下：测量包含的步骤是，确定需检测的数控机床，明确误差，用LDDM测量，得到结果后建立误差模块，包括建立模型，把所有误差分离，找到误差来源的源头，建立误差补偿模块，它包括建立模型，发布补偿文件，最后进行补偿，从数控系统开始，把命令传输到驱动器、电机，最终到达数控机床。其设计进行补偿测量的过程是，会把机床划分成的多个位置，用激光进行逐一扫描，得到误差矢量，随后，把所有结果放到已经建立的模型中，用模型完成分析，最后完成数控机床的补偿。

2.3 三维空间的误差补偿表

三维空间误差补偿表的绘制，是把补偿的内容精细化，并在数控机床的控制中加入开放式的数控系统。表格内输入的信息是从数控机床正向测量得到的误差数据，与电机相关的数据，从这些数据与分析后的结果可以得出具体补偿的数值。

3 结语

数控机床三维空间误差建模及补偿，是基于移动副的误差与多体系理论，建立误差分析的模型，以及分析系统，随后，提出误差补偿技术的优化，即从多种方法中选择最佳的方法，实现误差的分离，用补偿的原理流程与补偿表让过程与结果直观化。

参考文献

[1] 张贇莉，李宸.可靠通信机制在数控系统现场总线的应用[J].中国新通信，2012，14（24）：56.

[2] 王志成，于东，李培新，等.数控系统现场总线通信效率的改进[J].计算机工程，2012，37（10）：23-25，28.

[3] 朱赤洲，陈蔚芳，赵鹏，等.数控机床三维空间误差建模及补偿技术研究[J].组合机床与自动化加工技术，2012（4）：16-19，24.